玻璃纤维增强塑料布约束混凝土圆柱尺寸效应

2017-07-24张云峰陈思同

河南科技大学学报(自然科学版) 2017年3期

关键词：圆柱约束试件

于洋，杨勇，张云峰，陈思同

(东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318)

玻璃纤维增强塑料布约束混凝土圆柱尺寸效应

于洋，杨勇，张云峰，陈思同

(东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆 163318)

对3根玻璃纤维增强塑料(GFRP)布约束钢筋混凝土圆柱和3根未约束钢筋混凝土圆柱的试件进行了试验，并且对15个模拟试件进行了有限元分析，探究了不同体积配置率对轴心受压下GFRP布约束钢筋混凝土圆柱力学性能的影响规律。研究结果表明：钢筋混凝土圆柱的尺寸越大，其极限抗压强度和极限应变越小,GFRP布约束大尺寸试件的效果越显著；但随着GFRP布体积配置率的增大，大尺寸试件的极限抗压强度降低幅度比小尺寸试件有所减小，并且体积配置率的增加对尺寸效应有所改善。当体积配置率达到0.139时，试件的极限抗压强度的提高幅度有所减弱。对于相似试件，GFRP布体积配置率建议选用0.104较为经济实用。

玻璃纤维增强塑料；尺寸效应；体积配置率；极限抗压强度；钢筋混凝土

0 引言

近几年，玻璃纤维增强塑料(glass fiber reinforced plastic，GFRP)布约束钢筋混凝土柱[1]成为一种新兴加固形式[2]，GFRP布约束混凝土的力学性能成为研究热点之一[3]。钢筋混凝土柱体在实际工程中得到普遍应用[4]。GFRP布约束混凝土柱构件的组合结构可有效减轻结构自身质量，同时减缓混凝土柱的老化[5]。许多学者对GFRP布约束混凝土构件进行了分析[6-7]，但主要集中在GFRP布约束混凝土力学性能的分析[8-9]。虽然对钢筋混凝土构件的尺寸效应开展了研究[10]，但没有得到GFRP布约束混凝土的最优比[11]，也没有比较系统的理论可供参考，更没有给出明确的定量计算公式。所以开展GFRP约束钢筋混凝土圆柱尺寸效应的分析，对于工程实践具有重大意义[12-13]。

通过轴压试验和ANSYS有限元分析，对不同GFRP布体积配置率下约束钢筋混凝土圆柱的力学性能进行了研究，具体分析了不同体积配置率约束组合构件的极限抗压强度，及应力-应变的影响规律。

1 试验

1.1 试件设计

考虑GFRP布体积配置率的影响，设计了3根未约束钢筋混凝土圆柱(Y组)和3根GFRP布约束钢筋混凝土圆柱(W组)。每组组内试件参数满足几何相似的特点，且W组试件GFRP布缠绕层数按试件尺寸由小到大分别是3层、4层和5层。试件尺寸D×h，其中，D为混凝土圆柱直径，h为圆柱高。GFRP布体积配置率ρ=4nt/D，其中，n为GFRP布层数，t为GFRP布厚度，D为试件直径。Y组的体积配置率均为0，W组的体积配置率分别为 0.069、0.104和0.139，具体试件参数见表1。

试验中的测点主要为应变测点和位移测点。GFRP布的应变测点布置在GFRP布三等分点处，在各个测点处分别粘贴一个纵向和一个环向应变片。有GFRP布约束的试件在中截面平均分布3个测点，每个测点处粘贴横向应变片和纵向应变片。用静态应变测量仪采集混凝土的环向应变和轴向应变。将一对量程为50 mm的百分表对称布置在试验机下压板上，同时，用计算机采集系统对构件的轴向位移数据进行实时提取，对两个百分表所得的数据对比和平均后，得到试件的轴向位移。

表1 试件参数

1.2 加载方案

本试验为单调轴压试验，加载设备为500 t级的YAW-5000型微机控制电液伺服压力试验机，荷载及试件轴向位移由试验机传感器采集。

加载前，调整试件，保证其轴心受压。全程由计算机控制施加荷载，先对试件预加载10%，使试件与上下承压板充分接触，使其几何对中后卸载，并检查、校正位移计和应变测量仪，直至调整完成，开始正式加载。先以极限荷载的10%进行分级加载，每加载一级保持稳定后，记录位移及应变值，直至加载到预估极限荷载的70%，然后以极限荷载的5%分级加载，直至试件破坏，即GFRP布断裂，试验终止。

2 试验结果分析

2.1 荷载-应变曲线分析

根据试验结果，绘制Y组和W组的荷载-应变曲线，如图1所示。

图1 荷载-应变曲线

Y组试件荷载-应变曲线变化规律较为相似，试件Y-1曲线变化规律如图1a所示。由图1a可知：在加载初期，试件Y-1处于弹性阶段，荷载与应变呈线性变化，应变的增长速率较小，且轴向应变比环向应变大；随着荷载增加，应变快速增大。Y组试件的荷载-应变曲线的斜率由大到小依次是试件Y-3、试件Y-2和试件Y-1，说明：几何相似的钢筋混凝土圆柱，尺寸越大，应变的增长速率越小，试件抵抗变形能力越强，刚度越大，且试件的最大轴向应变和环向应变均随试件尺寸增大而减小。

W组试件荷载-应变曲线变化规律相似，试件W-1曲线变化规律如图1b所示。由图1b可知：当荷载加至接近到未约束试件的极限承载力时，应变急剧增大，应变随荷载增加呈曲线变化，表现出明显的双线性特征。W组试件中，试件W-1的拐点出现最早，然后依次是试件W-2和试件W-3。试件W-1的塑性阶段较长，相对变形量较大；试件达到极限承载力时，W-1的轴向应变和环向应变最大，即试件的尺寸越大，极限应变越小。与Y组试件(未约束试件)相比，W组试件(GFRP布约束试件)的极限承载力和极限应变有显著提高。荷载-应变曲线在加载初期呈线性变化，曲线斜率较大，应变增长速率较小；当荷载加至接近未约束试件的极限承载力时，应变急剧增加，应变随荷载增大呈曲线变化，表现出明显的双线性特征，说明GFRP布起到了良好的约束作用。

2.2 荷载-位移关系曲线分析

GFRP布约束试件的荷载-位移曲线变化规律较为相似，曲线变化规律如图2所示。图2中位移为电测百分表实测的各试件的环向位移、轴向位移的平均值。由图2可知：在加载初期，试件W-1处于弹性阶段，位移随荷载呈线性变化，曲线与未约束试件(试件Y-1)相似；当荷载加至接近未约束试件(试件Y-1)的极限承载力时，位移加速增长，试件W-1进入弹塑性阶段。对比未约束试件(试件Y-1)的荷载-位移曲线，GFRP布约束试件(试件W-1)的塑性阶段较长且曲线趋于平缓，说明GFRP布使试件的极限承载力和延性得到了提高，约束作用显著。

图2 GFRP布约束试件的荷载-位移关系曲线

2.3 体积配置率对试件的影响分析

为了研究不同GFRP布体积配置率对钢筋混凝土圆柱力学性能的影响，将配筋率为1.2%、混凝土强度均为C30的W组试件和Y组试件的极限抗压强度进行对比。试件的极限抗压强度如表2所示。

表2 试件的极限抗压强度

由表2可知：在GFRP布体积配置率的作用下，未约束的试件Y-1、Y-2和Y-3的极限抗压强度分别由23.64 MPa、19.91 MPa和17.79 MPa提高到GFRP布约束后的32.44 MPa、30.19 MPa和29.27 MPa，极限抗压强度的提高幅度分别为37.23%、51.63%和64.53%，约束效果显著。几何相似试件的极限抗压强度随试件尺寸的增大而减小，且试件尺寸越大，GFRP布的约束作用使得试件的极限抗压强度的提高幅度越大，GFRP布的约束效果越显著，说明GFRP布约束试件的抗压强度的提高主要由GFRP布的侧向约束力产生。钢筋混凝土圆柱与GFRP布约束钢筋混凝土圆柱都存在明显的尺寸效应，即试件的极限强度随试件尺寸的增大而减小，且未呈线性变化。GFRP布约束试件与无约束试件的极限抗压强度变化有一定的区别，随试件尺寸增大，GFRP布约束试件的极限抗压强度差越来越小，这是由于GFRP布的离散性比混凝土小，其约束作用使得钢筋混凝土柱的尺寸效应得到改善。

3 有限元分析

3.1 试件设计

为了研究不同体积配置率GFRP布对钢筋混凝土圆柱的约束尺寸效应，选取混凝土强度为C30，配筋率为1.2%，GFRP布体积配置率分别为0.069、0.104和0.139的3组试件，具体参数见表3。利用ANSYS有限元软件对其进行模拟分析，得到了试件的极限抗压强度和应力-应变关系曲线。

表3 模拟试件参数

3.2 有限元模型的建立

本文建立的有限元模型为分离式模型，不考虑材料之间的滑移，混凝土采用solid65单元，GFRP布采用shell41单元，钢筋采用link8单元。为了能够更加精确地反映研究对象的性能，采用自定义网格尺寸的映射划分法。为考虑大变形，GFRP布单元的网格划分为三角形单元。根据W组试件(W-1)试验值与试件A1、B2、C3有限元模拟的结果，绘制了荷载-位移曲线对比图，如图3所示。

图3 荷载-位移曲线对比图

由图3可知：有限元模拟的荷载-位移曲线与试验结果吻合情况较好，在荷载达到未约束钢筋混凝土柱的极限承载力前，有限元模拟与试验的荷载-位移曲线基本保持一致;随着荷载增加，荷载-位移曲线有略微的差异，但在允许范围内。试验结果与有限元模拟结果有差异的主要原因为：试验时，由于混凝土搅拌、GFRP布粘贴工艺的限制，导致试件的实际强度与设计强度有所偏差。GFRP布的模拟是理想状态，假定材料平面绝对平整，只考虑GFRP布的环向受拉作用，与实际试验有一定差异，从而使试验结果与有限元模拟结果有偏差。综上所述，试验结果与有限元模拟结果吻合情况良好，说明有限元模型具有可行性，可以用其进行后续GFRP布约束钢筋混凝土柱尺寸效应的分析。

3.3 有限元分析

不同GFRP布体积配置率的试件的极限抗压强度模拟值如表4所示。

表4 试件的极限抗压强度模拟值

由表4可知：几何相似的试件，随尺寸增大，极限抗压强度减小。以A组试件的极限抗压强度作为参照，B组试件的极限抗压强度分别提高了14.89%、17.78%、19.84%、21.10%和21.66%，C组试件的极限抗压强度分别提高了22.73%、26.79%、25.27%、24.32%和23.67%。说明随着GFRP布体积配置率的增大，试件的极限抗压强度有所提高，且试件尺寸越大，极限抗压强度的提高幅度越大。但GFRP布的体积配置率为0.139时，试件C3的极限抗压强度的增幅比C2小，即体积配置率持续增加，极限抗压强度的增幅有减弱趋势。不同GFRP布体积配置率的钢筋混凝土试件的极限强度随尺寸增大而减小，且未呈线性变化；随着试件尺寸增大，GFRP布体积配置率为0.104的试件极限抗压强度降低率最小，说明因为GFRP布的离散性比混凝土小，GFRP布的约束使钢筋混凝土圆柱的尺寸效应得到改善。但当GFRP布体积配置率增加到0.139后，GFRP布的约束效果会有所减弱。综上所述，实际应用对于相似试件的GFRP布体积配置率建议选用0.104较为经济实用。

3.4 应力-应变曲线分析

GFRP布试件体积配置率分别为0.069、0.104和0.139时的应力-应变曲线如图4所示。